JP2011044555A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Katsuaki Natori
克晃 名取
Koji Yamakawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration in ferroelectric capacitor in a manufacturing step. <P>SOLUTION: A method of manufacturing a semiconductor device includes: forming a capacitor layer having a ferroelectric 120 containing Pb above a semiconductor substrate 100; forming a capacitor having the ferroelectric by processing the capacitor layer by RIE; and heat-treating the capacitor in an atmosphere including the Pb, oxygen, and lead single-substance oxide. Partial pressure of the lead single-substance oxide in the atmosphere during the heat treatment is higher than vapor pressure of the lead single-substance oxide produced with the Pb in the ferroelectric and is lower than vapor pressure of the lead single-substance oxide in the atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor.

不揮発性メモリとして、強誘電体薄膜を利用した強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)が提案されている。このFeRAMは、DRAM(Dynamic Random Access Memory)のキャパシタ部分を強誘電体で置き換えたものである。   As a nonvolatile memory, a ferroelectric memory (FeRAM: Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric thin film has been proposed. This FeRAM is obtained by replacing a capacitor portion of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) with a ferroelectric.

FeRAMは、以下のような特徴をもち次世代メモリとして期待されている。   FeRAM has the following characteristics and is expected as a next-generation memory.

(1)書き込み、消去動作が高速であり、セルを小型化することによりDRAMなみの100ns以下の書き込みが可能である。 (1) The writing and erasing operations are fast, and the writing of 100 ns or less is possible as in a DRAM by downsizing the cell.

(2)不揮発性メモリであり、SRAM(static Random Access Memory)と異なり電源が不必要である。 (2) It is a non-volatile memory and does not require a power supply unlike a static random access memory (SRAM).

(3)書き換え可能回数が大きく、強誘電体材料(SBT(SrBiTa)など)、電極材料(IrO、RuO、SrRuOなど)を工夫することにより1012回以上の書き換えが可能である。 (3) The number of rewritable times is large, and over 10 12 times of rewriting by devising ferroelectric materials (SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ), etc.) and electrode materials (IrO x , RuO x , SrRuO 3 etc.) Is possible.

(4)原理的に高密度化、高集積化ができ、DRAMと同等の集積度を得ることが可能である。 (4) In principle, high density and high integration can be achieved, and an integration degree equivalent to that of DRAM can be obtained.

(5)内部の書き込み電圧を2V程度にすることができ、低消費電力で動作する。 (5) The internal write voltage can be reduced to about 2 V, and it operates with low power consumption.

(6)ランダムアクセスによるビット書き換えが可能である。 (6) Bit rewriting by random access is possible.

FeRAMでは、キャパシタ部分にPZT(Pb(ZrTi1−x))、BIT(BiTi12)、SBTなどの強誘電体薄膜が用いられる。いずれの材料も酸素八面体を含むペロブスカイト構造を基本とした結晶構造を有する。これらの材料は、従来のSi酸化膜と異なり、アモルファス状態ではその特徴である強誘電性は発現しないため、使用することができない。したがって、結晶化するための工程が必要となる。結晶化するための工程として、例えば、高温での結晶化熱処理や高温でのIn−situ結晶化プロセスなどがある。この結晶化するための工程は、材料にもよるが、一般的に少なくとも400℃から700℃の温度で行われる必要がある。 In FeRAM, a ferroelectric thin film such as PZT (Pb (Zr x Ti 1-x O 3 )), BIT (Bi 4 Ti 3 O 12 ), or SBT is used for a capacitor portion. Each material has a crystal structure based on a perovskite structure including an oxygen octahedron. Unlike the conventional Si oxide film, these materials cannot be used because they do not exhibit the characteristic ferroelectricity in the amorphous state. Therefore, a process for crystallization is required. As a process for crystallization, for example, there are a crystallization heat treatment at a high temperature and an in-situ crystallization process at a high temperature. This crystallization step depends on the material, but generally needs to be performed at a temperature of at least 400 ° C. to 700 ° C.

一方、強誘電体薄膜の成膜方法として、レーザアブレーション法、真空蒸着法、MBE(molecular beam epitaxy)法など各種の方法が研究されている。しかし、実用化されているものとして、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法、スパッタ法、溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition)がある。   On the other hand, various methods such as a laser ablation method, a vacuum deposition method, and an MBE (molecular beam epitaxy) method have been studied as a method for forming a ferroelectric thin film. However, there are MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, sputtering method, and solution method (CSD: Chemical Solution Deposition).

以下に、強誘電体キャパシタとして、代表的な強誘電体材料であるPZTを例にとってその特徴について説明する。   The characteristics of the ferroelectric capacitor will be described below by taking PZT, which is a typical ferroelectric material, as an example.

強誘電体は、自発分極をもつ。この自発分極は、電界により向きを反転する特徴をもつ。また、自発分極は電界を印加しない状態でも分極値をもつ(残留分極)。この分極値(分極の向き)は、電界を0とする前の状態に依存する。すなわち、強誘電体は、印加する電界の向きにより+、−の電荷を結晶表面に誘起することができ、この状態をそれぞれメモリ素子のデータ“0”、“1”に対応させる。FeRAMは、DRAMと同じ1T/1C(1トランジスタ/1キャパシタ)の構造をとることができるが、現状では信頼性を向上させるために主に2T/2C構造のものが採用されている。   A ferroelectric has spontaneous polarization. This spontaneous polarization has a feature that its direction is reversed by an electric field. Spontaneous polarization also has a polarization value (residual polarization) even when no electric field is applied. This polarization value (direction of polarization) depends on the state before the electric field is zero. That is, the ferroelectric can induce + and − charges on the crystal surface depending on the direction of the applied electric field, and this state corresponds to data “0” and “1” of the memory element, respectively. FeRAM can have the same 1T / 1C (1 transistor / 1 capacitor) structure as DRAM, but at present, a 2T / 2C structure is mainly employed in order to improve reliability.

また、上述したように、FeRAMに使用されている強誘電体材料は、主にPZT(Pb薄膜、SBT薄膜である。前者のPZTには、以下のような利点がある。   Further, as described above, the ferroelectric material used in FeRAM is mainly PZT (Pb thin film, SBT thin film. The former PZT has the following advantages.

(1)結晶化温度が600℃程度である。 (1) The crystallization temperature is about 600 ° C.

(2)分極値が大きく、残留分極値で20μC/cm程度である。 (2) The polarization value is large, and the residual polarization value is about 20 μC / cm 2 .

(3)ヒステリシス曲線において分極0となる時の電界値である抗電界が比較的小さいため、低電圧で分極反転が可能である。 (3) Since the coercive electric field, which is the electric field value when the polarization becomes 0 in the hysteresis curve, is relatively small, the polarization can be reversed at a low voltage.

(4)Zr/Ti組成比により、結晶化温度、グレインサイズおよびグレイン形状などの構造特性、あるいは分極量、抗電界、疲労特性およびリーク電流などの強誘電特性が制御可能である。 (4) Structural characteristics such as crystallization temperature, grain size, and grain shape, or ferroelectric characteristics such as polarization, coercive electric field, fatigue characteristics, and leakage current can be controlled by the Zr / Ti composition ratio.

(5)ペロブスカイト構造のもつ元素の許容性により、Aサイトと呼ばれるPbをSr、Ba、Ca、Laなどの元素で、Bサイトと呼ばれるZr、TiをNb、W、Mg、Co、Fe、Ni、Mnなどの元素で置換することが可能であり、それが結晶構造、構造特性、強誘電特性に大きく影響する。 (5) Pb called A site is an element such as Sr, Ba, Ca, La, etc., and Zr and Ti called B site are Nb, W, Mg, Co, Fe, Ni, depending on the tolerance of the elements of the perovskite structure. , Mn and the like can be substituted, which greatly affects the crystal structure, structural characteristics, and ferroelectric characteristics.

PZTは、早くから薄膜化の検討がなされてきている。また、PZTは、スパッタ法、ゾルゲル法などの手法で研究例も多く、最初にFeRAMとして実用化された材料である。   PZT has been studied for thinning from an early stage. PZT is a material that was first put into practical use as FeRAM, with many examples of research using techniques such as sputtering and sol-gel.

PZTの欠点として、書き込み回数の増加にともなう分極量の減少(疲労特性)があげられる。PZT膜の疲労は、Pt電極との界面に形成される酸素空孔が主たる原因とされている。この酸素空孔の発生理由の1つがPb元素の揮発性、拡散容易性である。このPb元素は、揮発する際にPbOとなるため、これに伴い酸素欠損が生じる。   A disadvantage of PZT is a decrease in the amount of polarization (fatigue characteristics) that accompanies an increase in the number of writes. The fatigue of the PZT film is mainly caused by oxygen vacancies formed at the interface with the Pt electrode. One of the reasons for the generation of oxygen vacancies is the volatility and ease of diffusion of the Pb element. Since this Pb element becomes PbO when it volatilizes, oxygen deficiency is caused accordingly.

Pbはペロブスカイト構造の一部であるため、酸素空孔が形成されると近傍の陽イオンと双極子を形成し、スイッチング電荷の減少を引き起こす。これに対し、疲労特性そのものが電界により加速される特徴をもつため、動作電圧の低電圧化が提案されている。具体的には、従来使用されていたPt電極に代わってIrOなどの酸化物電極を用いることにより、疲労特性の改善がなされている。 Since Pb is a part of the perovskite structure, when oxygen vacancies are formed, nearby cations and dipoles are formed, causing a decrease in switching charge. On the other hand, since the fatigue characteristics themselves are accelerated by an electric field, a reduction in operating voltage has been proposed. Specifically, fatigue characteristics are improved by using an oxide electrode such as IrO x in place of the conventionally used Pt electrode.

しかし、以上で説明した強誘電体材料を利用したFeRAMのキャパシタは、キャパシタ膜を成膜した直後の特性は良好であっても、その後のRIE(Reactive Ion Etching)工程時に酸素欠損が生じて特性が劣化するという問題がある。この加工ダメージは、キャパシタの周辺部で生じる。このため、キャパシタの周辺部では、固定電荷が生じ電界反転が行われなくなる。したがって、キャパシタ面積を減少するに伴いダメージ部の比率が大きくなり、分極量低下や信号量低下が起こる。このように、酸素欠損は、強誘電体キャパシタの高集積化の障害になっている。   However, the FeRAM capacitor using the ferroelectric material described above has the characteristics that oxygen deficiency occurs during the subsequent RIE (Reactive Ion Etching) process even if the characteristics immediately after forming the capacitor film are good. There is a problem of deterioration. This processing damage occurs in the periphery of the capacitor. For this reason, fixed charges are generated in the peripheral portion of the capacitor, and electric field inversion is not performed. Therefore, as the capacitor area is reduced, the ratio of the damaged portion is increased, and the polarization amount and the signal amount are reduced. Thus, oxygen deficiency is an obstacle to high integration of ferroelectric capacitors.

この酸素欠損を回復するため、RIE工程後に酸素中で熱アニールを行うという提案がされている。しかしながら、このアニールは、300℃程度の低温では酸素が活性でないため、酸素欠損の回復効果が得られない。また、600℃程度の高温にすると酸素欠損を回復することは可能になるが、PZT中のPbOの蒸気圧が高いためにPbOが蒸発する。これにより、Pb欠損が生じ、強誘電性が欠如してしまう。同時に酸素欠損も生じるため、結局信号量の低下を引き起こしてしまう。   In order to recover this oxygen deficiency, it has been proposed to perform thermal annealing in oxygen after the RIE process. However, in this annealing, since oxygen is not active at a low temperature of about 300 ° C., an oxygen deficiency recovery effect cannot be obtained. Moreover, although oxygen deficiency can be recovered by raising the temperature to about 600 ° C., PbO evaporates because the vapor pressure of PbO in PZT is high. Thereby, Pb defect | deletion arises and ferroelectricity will be missing. At the same time, oxygen vacancies also occur, resulting in a decrease in signal amount.

これに対し、特許文献1および2では、RIE工程後にPZTを保護膜で覆って熱処理を行うことで、PbOの蒸発を防いでいる。しかしながら、保護膜を介しての熱処理となるため、PZTの酸素欠損の回復が不十分である。   On the other hand, in Patent Documents 1 and 2, PbO is prevented from evaporating by covering PZT with a protective film after the RIE process and performing a heat treatment. However, since the heat treatment is performed through the protective film, recovery of oxygen vacancies in PZT is insufficient.

特開2007−287804号公報JP 2007-287804 A 特開2005−183843号公報JP 2005-183843 A

本発明は、製造工程における強誘電体キャパシタの劣化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。   The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device capable of suppressing deterioration of a ferroelectric capacitor in a manufacturing process.

本発明の第1視点による半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に、Pbを含む強誘電体を有するキャパシタ層を形成し、前記キャパシタ層をRIEにより加工して、前記強誘電体を有するキャパシタを形成し、Pb、酸素および鉛単体酸化物を含む雰囲気で、前記キャパシタを熱処理し、前記熱処理の際に、前記雰囲気内における前記鉛単体酸化物の分圧は、前記強誘電体内におけるPbにより生じる前記鉛単体酸化物の蒸気圧以上、かつ前記雰囲気内における前記鉛単体酸化物の蒸気圧以下である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a capacitor layer having a ferroelectric containing Pb above a semiconductor substrate; processing the capacitor layer by RIE; A capacitor is formed, and the capacitor is heat-treated in an atmosphere containing Pb, oxygen, and lead simple oxide. During the heat treatment, the partial pressure of the lead simple oxide in the atmosphere is Pb in the ferroelectric body. Or higher than the vapor pressure of the lead simple substance oxide and less than the vapor pressure of the lead simple substance oxide in the atmosphere.

本発明の第2視点による半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に、Pbを含む強誘電体を有するキャパシタ層を形成し、前記キャパシタ層を加工して、前記強誘電体を有するキャパシタを形成し、400℃未満で、かつ酸素プラズマを含む雰囲気で、前記キャパシタを熱処理する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a capacitor layer having a ferroelectric including Pb above a semiconductor substrate; and processing the capacitor layer to form a capacitor having the ferroelectric. The capacitor is heat-treated in an atmosphere of less than 400 ° C. and containing oxygen plasma.

本発明によれば、製造工程における強誘電体キャパシタの劣化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor device which can suppress deterioration of the ferroelectric capacitor in a manufacturing process can be provided.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図2に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図3に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図4に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図5に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図6に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図7に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図8に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図9に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 図4に続く、製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows a manufacturing process following FIG. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置のPbOの蒸気圧曲線を示すグラフ。The graph which shows the vapor pressure curve of PbO of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すものであり、図4に続く製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and shows the manufacturing process following FIG.

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。なお、各実施形態では、キャパシタ下に位置するプラグ材にタングステンを用いたCOP(Capacitor On Plug)型FeRAMセルへ適用した例について述べる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. In each embodiment, an example applied to a COP (Capacitor On Plug) type FeRAM cell using tungsten as a plug material located under a capacitor will be described.

<第1の実施形態>
図1乃至図11は、第1の実施形態における半導体装置の製造方法を示している。
<First Embodiment>
1 to 11 show a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.

まず、図1に示すように、例えばP型シリコン基板(半導体基板)100内に、素子分離のための図示せぬ溝が形成される。この溝は、トランジスタの活性領域以外の領域に形成される。次に、溝内に、例えばシリコン酸化膜が埋め込まれ、素子分離領域となるSTI(Sallow Trench Isolation)101が形成される。   First, as shown in FIG. 1, for example, a groove (not shown) for element isolation is formed in a P-type silicon substrate (semiconductor substrate) 100. This trench is formed in a region other than the active region of the transistor. Next, for example, a silicon oxide film is buried in the trench, and an STI (Sallow Trench Isolation) 101 serving as an element isolation region is formed.

次に、スイッチ動作を行うためのトランジスタが以下のようにして形成される。まず、半導体基板100上の全面に、例えば熱酸化により厚さ6nm程度の酸化膜102が形成される。次に、酸化膜102上の全面に、例えば砒素をドープしたn+型の多結晶シリコン膜103が形成される。次に、多結晶シリコン膜103上の全面に、WSi膜104および窒化膜105が順に形成される。次に、窒化膜105、WSi膜104および多結晶シリコン膜103が通常の光リソグラフィ法およびRIEによって加工され、ゲート電極が形成される。次に、全面に窒化膜が堆積される。その後、この窒化膜は、RIEにによって加工され、ゲート電極の側壁にスペーサ部106が設けられる。次に、プロセスの詳細は省略するが、半導体基板100表面に、不純物のイオン注入および熱処理によりソース/ドレイン領域107が形成され、トランジスタが完成する。 Next, a transistor for performing a switching operation is formed as follows. First, an oxide film 102 having a thickness of about 6 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 100 by, for example, thermal oxidation. Next, an n + type polycrystalline silicon film 103 doped with, for example, arsenic is formed on the entire surface of the oxide film 102. Next, a WSi x film 104 and a nitride film 105 are sequentially formed on the entire surface of the polycrystalline silicon film 103. Next, the nitride film 105, the WSi x film 104, and the polycrystalline silicon film 103 are processed by a normal photolithography method and RIE to form a gate electrode. Next, a nitride film is deposited on the entire surface. Thereafter, the nitride film is processed by RIE, and a spacer portion 106 is provided on the side wall of the gate electrode. Next, although details of the process are omitted, source / drain regions 107 are formed on the surface of the semiconductor substrate 100 by impurity ion implantation and heat treatment to complete a transistor.

次に、図2に示すように、全面に、CVD法により酸化膜108が堆積された後、CMP法により平坦化される。次に、酸化膜108内に、トランジスタの一方のソース/ドレイン領域107に連通するコンタクトホール109が形成される。このコンタクトホール109内の表面に、スパッタ法またはCVD法により薄いチタン膜が堆積された後、フォーミングガス中で熱処理が行われることによってTiN膜110が形成される。次に、全面に、CVD法によりタングステンが堆積される。その後、CMP法によりコンタクトホール109外の領域からタングステンが除去され、コンタクトホール109内にタングステンが埋め込まれ、プラグ111が形成される。次に、全面に、CVD法により窒化膜112が堆積される。次に、窒化膜112および酸化膜108内に、トランジスタの他方のソース/ドレイン領域107に連通するコンタクトホール113が形成される。このコンタクトホール113内の表面に、TiN膜114が形成される。その後、コンタクトホール113内に、タングステンが埋め込まれ、後述するキャパシタに結合されるプラグ115が形成される。   Next, as shown in FIG. 2, after an oxide film 108 is deposited on the entire surface by the CVD method, it is planarized by the CMP method. Next, a contact hole 109 communicating with one source / drain region 107 of the transistor is formed in the oxide film 108. After a thin titanium film is deposited on the surface in the contact hole 109 by sputtering or CVD, a TiN film 110 is formed by performing heat treatment in a forming gas. Next, tungsten is deposited on the entire surface by a CVD method. Thereafter, tungsten is removed from the region outside the contact hole 109 by CMP, and tungsten is buried in the contact hole 109 to form the plug 111. Next, a nitride film 112 is deposited on the entire surface by CVD. Next, a contact hole 113 communicating with the other source / drain region 107 of the transistor is formed in the nitride film 112 and the oxide film 108. A TiN film 114 is formed on the surface in the contact hole 113. Thereafter, tungsten is buried in the contact hole 113 to form a plug 115 coupled to a capacitor to be described later.

次に、図3に示すように、全面に、例えばスパッタ法により膜厚が10nm程度の炭化珪素膜116が堆積される。この炭化珪素膜116上の全面に、例えばスパッタ法により膜厚が3nm程度のTi膜117が堆積される。次に、Ti膜117上の全面に、例えば、スパッタ法により膜厚が30nmのイリジウム膜118と膜厚が20nmの第1白金膜119とが順に形成される。これらイリジウム膜118と第1白金膜119とでキャパシタの下部電極となる。次に、第1白金膜119上の全面に、スパッタ法によりキャパシタの誘電体膜となるPZT膜120が形成される。その後、酸素雰囲気中で急速加熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)が行われ、PZT膜120が結晶化する。次に、PZT膜120上の全面に、スパッタ法によりキャパシタの上部電極となる第2白金膜121が形成される。次に、第2白金膜121上の全面に、スパッタ法により膜厚が5nm程度でAlからなる第1保護膜122が形成される。この第1保護膜122上の全面に、CVD法により加工マスク材となる酸化膜123が形成される。 Next, as shown in FIG. 3, a silicon carbide film 116 having a thickness of about 10 nm is deposited on the entire surface by, eg, sputtering. A Ti film 117 having a thickness of about 3 nm is deposited on the entire surface of the silicon carbide film 116 by, eg, sputtering. Next, an iridium film 118 having a thickness of 30 nm and a first platinum film 119 having a thickness of 20 nm are sequentially formed on the entire surface of the Ti film 117 by sputtering, for example. The iridium film 118 and the first platinum film 119 serve as a lower electrode of the capacitor. Next, a PZT film 120 serving as a capacitor dielectric film is formed on the entire surface of the first platinum film 119 by sputtering. Thereafter, rapid thermal annealing (RTA) is performed in an oxygen atmosphere, and the PZT film 120 is crystallized. Next, a second platinum film 121 serving as an upper electrode of the capacitor is formed on the entire surface of the PZT film 120 by sputtering. Next, a first protective film 122 made of Al 2 O 3 having a thickness of about 5 nm is formed on the entire surface of the second platinum film 121 by sputtering. An oxide film 123 serving as a processing mask material is formed on the entire surface of the first protective film 122 by a CVD method.

次に、図4に示すように、光リソグラフィ法とRIEによって、酸化膜123がパターンニングされ、図示せぬフォトレジストが除去される。その後、酸化膜123をマスクとして、RIEにより第1保護膜122、第2白金膜121およびPZT膜120が順にエッチング加工される。   Next, as shown in FIG. 4, the oxide film 123 is patterned by photolithography and RIE, and a photoresist (not shown) is removed. Thereafter, using the oxide film 123 as a mask, the first protective film 122, the second platinum film 121, and the PZT film 120 are sequentially etched by RIE.

次に、PZT膜120の欠損した酸素を補充するため、鉛(Pb)と酸素とを含む雰囲気で熱処理が行われる。この熱処理工程の詳細については後述する。   Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing lead (Pb) and oxygen in order to supplement oxygen deficient in the PZT film 120. Details of this heat treatment step will be described later.

次に、図5に示すように、全面に直接、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法によりAlからなる第2保護膜124が形成される。このとき、第2保護膜124の成膜温度は例えば200℃であり、膜厚は例えば100Åである。 Next, as shown in FIG. 5, a second protective film 124 made of Al 2 O 3 is formed directly on the entire surface by, eg, ALD (Atomic Layer Deposition). At this time, the deposition temperature of the second protective film 124 is, for example, 200 ° C., and the film thickness is, for example, 100 ° C.

次に、図6に示すように、全面に、例えばCVD法により下部電極の加工マスク材として酸化膜127が堆積される。次に、キャパシタが形成される領域の酸化膜127上に、レジストマスク128が形成される。   Next, as shown in FIG. 6, an oxide film 127 is deposited on the entire surface by, for example, CVD as a processing mask material for the lower electrode. Next, a resist mask 128 is formed on the oxide film 127 in the region where the capacitor is to be formed.

次に、図7に示すように、レジストマスク128を用いた光リソグラフィ法とRIEによって、酸化膜127がパターニングされる。その後、酸化膜127をマスクとして、RIEにより第2保護膜124、第1白金膜119、イリジウム膜118、チタン膜117および炭化珪素膜116が順にパターニング加工される。このようにして、強誘電体キャパシタが完成する。   Next, as shown in FIG. 7, the oxide film 127 is patterned by photolithography using the resist mask 128 and RIE. Thereafter, using the oxide film 127 as a mask, the second protective film 124, the first platinum film 119, the iridium film 118, the titanium film 117, and the silicon carbide film 116 are sequentially patterned by RIE. In this way, a ferroelectric capacitor is completed.

次に、図8に示すように、全面に、例えばALD法によりAlからなる第3保護膜129が形成される。このとき、第3保護膜129の成膜温度は例えば200℃であり、膜厚は例えば10nmである。この第3保護膜129上の全面に、例えばCVD法により膜厚が50nm程度の酸化膜130が形成される。この酸化膜130上の全面に、例えばALD法によりAlからなる第4保護膜131が形成される。このとき、第3保護膜129の成膜温度は例えば200℃であり、膜厚は例えば10nmである。次に、全面に、例えばCVD法により酸化膜132が堆積され、キャパシタが覆われる。その後、酸化膜132がCMPにより平坦化され、光リソグラフィ法とRIEによって、酸化膜132がパターンニングされる。これにより、第2電極121に連通するコンタクトホール133およびタングステン111に連通するコンタクトホール134が同時に形成される。 Next, as shown in FIG. 8, a third protective film 129 made of Al 2 O 3 is formed on the entire surface by, eg, ALD. At this time, the deposition temperature of the third protective film 129 is, for example, 200 ° C., and the film thickness is, for example, 10 nm. An oxide film 130 having a thickness of about 50 nm is formed on the entire surface of the third protective film 129 by, eg, CVD. A fourth protective film 131 made of Al 2 O 3 is formed on the entire surface of the oxide film 130 by, eg, ALD. At this time, the deposition temperature of the third protective film 129 is, for example, 200 ° C., and the film thickness is, for example, 10 nm. Next, an oxide film 132 is deposited on the entire surface by, eg, CVD, and the capacitor is covered. Thereafter, the oxide film 132 is planarized by CMP, and the oxide film 132 is patterned by photolithography and RIE. As a result, a contact hole 133 communicating with the second electrode 121 and a contact hole 134 communicating with the tungsten 111 are simultaneously formed.

次に、図9に示すように、コンタクトホール133および134内にAlが埋め込まれ、CMPにより平坦化される。これにより、コンタクトホール133および134内に、プラグ133’および134’が形成される。次に、全面に、酸化膜135が形成される。この酸化膜135内に溝が形成された後、溝にAlが埋め込まれ、プラグ133’および134’に接続される第1上部配線136が形成される。次に、全面に、層間絶縁膜137が堆積される。この層間絶縁膜137内に、リソグラフィ法とRIEによって、図示せぬビア穴が形成され、このビア穴にAlが埋め込まれる。その後、Alが平坦化され、ビア138が形成される。この後、全面に層間絶縁膜139が堆積され、層間絶縁膜139内にAlが埋め込まれ、ビア138に接続された第2上部配線140が形成される。次に、後に上層に形成される配線層によるダメージを防止するため、第2上部配線140上に、ALD法により膜厚が10nm程度のAl膜141が形成される。 Next, as shown in FIG. 9, Al is buried in the contact holes 133 and 134 and planarized by CMP. As a result, plugs 133 ′ and 134 ′ are formed in the contact holes 133 and 134. Next, an oxide film 135 is formed on the entire surface. After the trench is formed in the oxide film 135, Al is buried in the trench, and the first upper wiring 136 connected to the plugs 133 ′ and 134 ′ is formed. Next, an interlayer insulating film 137 is deposited on the entire surface. A via hole (not shown) is formed in the interlayer insulating film 137 by lithography and RIE, and Al is buried in the via hole. Thereafter, Al is flattened and a via 138 is formed. Thereafter, an interlayer insulating film 139 is deposited on the entire surface, Al is embedded in the interlayer insulating film 139, and a second upper wiring 140 connected to the via 138 is formed. Next, an Al 2 O 3 film 141 having a thickness of about 10 nm is formed on the second upper wiring 140 by the ALD method in order to prevent damage due to a wiring layer formed later as an upper layer.

次に、図10に示すように、全面に、層間絶縁膜142が形成され、層間絶縁膜142内にビア穴が形成される。このビア穴内の表面にAl膜143が形成され、ビア穴内にAlが埋め込まれ、ビア144が形成される。次に、全面にAl膜145および層間絶縁膜146が順に堆積され、Al膜145および層間絶縁膜146に溝が形成される。この溝内の表面にAl膜147が形成され、ビア144に接続された第3上部配線148が形成される。さらにこの後、図には示さないが上部配線層が順次形成され、FeRAMが完成する。 Next, as shown in FIG. 10, an interlayer insulating film 142 is formed on the entire surface, and via holes are formed in the interlayer insulating film 142. An Al 2 O 3 film 143 is formed on the surface in the via hole, Al is buried in the via hole, and a via 144 is formed. Next, an Al 2 O 3 film 145 and an interlayer insulating film 146 are sequentially deposited on the entire surface, and a groove is formed in the Al 2 O 3 film 145 and the interlayer insulating film 146. An Al 2 O 3 film 147 is formed on the surface in the groove, and a third upper wiring 148 connected to the via 144 is formed. Thereafter, although not shown in the drawing, upper wiring layers are sequentially formed to complete the FeRAM.

以下に、本実施形態における製造方法の熱処理工程について詳説する。   Below, it explains in full detail about the heat processing process of the manufacturing method in this embodiment.

図11は、図4に続く、FeRAMの製造工程の断面図を示している。図11に示すように、RIEにより第1保護膜122、第2白金膜121およびPZT膜120が順にエッチング加工された後、Pbと酸素とを含む雰囲気で熱処理が行われる。   FIG. 11 is a cross-sectional view of the FeRAM manufacturing process continued from FIG. As shown in FIG. 11, after the first protective film 122, the second platinum film 121, and the PZT film 120 are sequentially etched by RIE, heat treatment is performed in an atmosphere containing Pb and oxygen.

この熱処理は、例えば以下に示す条件で行われる。まず、酢酸ブチル溶液に0.1μmol/Lの濃度になるようにPb(DPM)が溶解された溶液aを準備する。次に、600℃に加熱された炉内に、流量が0.1ml/minの溶液aと流量が10SLM(Standard Liter per Minute)の酸素とが同時に供給される。さらに、キャリアガスとして流量が20SLMのNが同時に炉内に供給される。このとき、炉内の雰囲気の全圧は、500Paに設定される。また、炉内の雰囲気には鉛単体酸化物(例えば、PbO)が含まれ、雰囲気中のPbOの分圧は3×10−5Pa以上かつ2×10−3Pa以内に設定される。この条件で1時間熱処理が行われる。 This heat treatment is performed, for example, under the following conditions. First, a solution a in which Pb (DPM) 2 is dissolved in a butyl acetate solution so as to have a concentration of 0.1 μmol / L is prepared. Next, a solution a having a flow rate of 0.1 ml / min and oxygen having a flow rate of 10 SLM (Standard Liter per Minute) are simultaneously supplied into a furnace heated to 600 ° C. Further, N 2 having a flow rate of 20 SLM is simultaneously supplied into the furnace as a carrier gas. At this time, the total pressure of the atmosphere in the furnace is set to 500 Pa. The atmosphere in the furnace contains lead simple oxide (for example, PbO), and the partial pressure of PbO in the atmosphere is set to 3 × 10 −5 Pa or more and 2 × 10 −3 Pa or less. Heat treatment is performed for 1 hour under these conditions.

また、炉内が500℃に加熱された場合、600℃の場合と同様に、炉内に溶液a、酸素およびNが同時に供給される。このとき、炉内の雰囲気の全圧および溶液a、酸素の流量を調整することで、雰囲気中のPbOの分圧は2×10−7Pa以上かつ1×10−5Pa以内に設定される。ここで、流量は600℃と同様の条件であり、炉内の雰囲気の全圧は200Paである。この条件で1時間熱処理が行われる。 When the inside of the furnace is heated to 500 ° C., similarly to the case of 600 ° C., the solution a, oxygen and N 2 are simultaneously supplied into the furnace. At this time, the partial pressure of PbO in the atmosphere is set to 2 × 10 −7 Pa or more and within 1 × 10 −5 Pa by adjusting the total pressure of the atmosphere in the furnace and the flow rate of the solution a and oxygen. . Here, the flow rate is the same as that at 600 ° C., and the total pressure of the atmosphere in the furnace is 200 Pa. Heat treatment is performed for 1 hour under these conditions.

なお、本実施形態における熱処理工程は、上記条件に限らない。以下に、図12を用いて熱処理工程における条件について説明する。   In addition, the heat treatment process in the present embodiment is not limited to the above conditions. Hereinafter, the conditions in the heat treatment step will be described with reference to FIG.

図12は、PbOの蒸気圧曲線を示している(Solid State Communications, Vol.7, pp.41-45, 1969, PbO VAPOUR PRESSURE IN THE Pb(Ti1-xZrx)O3 SYSTEM参照)。図12において、AはPZT((Pb(ZrTi1−x))がx=0の場合)中に含まれるPbにより生じるPbOの蒸気圧曲線を示し、Bは一般的なPbO単体におけるPbOの蒸気圧曲線(本実施形態において、熱処理に用いられるPbOを含む雰囲気中のPbOの蒸気圧曲線)を示している。また、CはPZT((Pb(ZrTi1−x))がx=0以外の場合)中に含まれるPbにより生じるPbOの蒸気圧曲線を示している。これら蒸気圧曲線A、BおよびCはそれぞれ、次式(1)、(2)および(3)で示される。 FIG. 12 shows a vapor pressure curve of PbO (see Solid State Communications, Vol. 7, pp. 41-45, 1969, PbO VAPOR PRESSURE IN THE Pb (Ti1-xZrx) O3 SYSTEM). In FIG. 12, A shows the vapor pressure curve of PbO produced by Pb contained in PZT (when Pb (Zr x Ti 1-x O 3 ) is x = 0), and B is a general PbO simple substance. 2 shows a vapor pressure curve of PbO in (in this embodiment, a vapor pressure curve of PbO in an atmosphere containing PbO used for heat treatment). C represents a vapor pressure curve of PbO generated by Pb contained in PZT (when Pb (Zr x Ti 1-x O 3 ) is other than x = 0). These vapor pressure curves A, B and C are represented by the following equations (1), (2) and (3), respectively.

logp(Pa)=−(13970/T)+11.45・・・(1)
logp(Pa)=−(13000/T)+12.86・・・(2)
logp(Pa)=−(14286/T)+12.29・・・(3)
図12に示すように、同じ温度において、PZT中に含まれるPbにより生じるPbOの蒸気圧は、雰囲気中のPbOの蒸気圧より小さい。
logp (Pa) =-(13970 / T) +11.45 (1)
logp (Pa) = − (13000 / T) +12.86 (2)
logp (Pa) =-(14286 / T) +12.29 (3)
As shown in FIG. 12, at the same temperature, the vapor pressure of PbO generated by Pb contained in PZT is smaller than the vapor pressure of PbO in the atmosphere.

PZT膜120の酸素欠損を補充し、かつPZT膜120からのPbOの蒸発を防ぐために、熱処理が行われる炉内の雰囲気中のPbOの分圧がPZT膜120中のPbにより生じるPbOの蒸気圧以上である必要がある。すなわち、熱処理工程における雰囲気中のPbOの分圧をPZT膜120中のPbにより生じるPbOの蒸気圧以上にすることで、PZT膜120中のPbにより生じるPbOは固体として存在する。これにより、PZT膜120中からのPbOの蒸発を防ぐことができる。   In order to replenish oxygen vacancies in the PZT film 120 and prevent evaporation of PbO from the PZT film 120, the partial pressure of PbO in the atmosphere in the furnace where the heat treatment is performed is the vapor pressure of PbO generated by Pb in the PZT film 120. It is necessary to be above. That is, by setting the partial pressure of PbO in the atmosphere in the heat treatment step to be equal to or higher than the vapor pressure of PbO generated by Pb in the PZT film 120, PbO generated by Pb in the PZT film 120 exists as a solid. Thereby, evaporation of PbO from the PZT film 120 can be prevented.

しかし、炉内の雰囲気中のPbOの分圧が大きくなりすぎると、雰囲気中のPbOの蒸気圧より大きくなってしまう。雰囲気中のPbOの分圧が雰囲気中のPbOの蒸気圧より大きくなると、キャパシタ上にPbOの堆積が始まり(PbOの固体化)、リーク電流の上昇やその後の加工異常などの問題を引き起こす。これを避けるために、雰囲気中のPbOの分圧が雰囲気中のPbOの蒸気圧以下である必要がある。すなわち、熱処理工程における雰囲気中のPbOの分圧を雰囲気中のPbOの蒸気圧以下にすることで、雰囲気中のPbOは気体として存在する。   However, if the partial pressure of PbO in the atmosphere in the furnace becomes too large, it will become larger than the vapor pressure of PbO in the atmosphere. When the partial pressure of PbO in the atmosphere becomes larger than the vapor pressure of PbO in the atmosphere, PbO deposition starts on the capacitor (PbO solidification), causing problems such as an increase in leakage current and subsequent processing abnormality. In order to avoid this, the partial pressure of PbO in the atmosphere needs to be equal to or lower than the vapor pressure of PbO in the atmosphere. That is, by setting the partial pressure of PbO in the atmosphere in the heat treatment step to be equal to or lower than the vapor pressure of PbO in the atmosphere, PbO in the atmosphere exists as a gas.

これらの理由から、熱処理工程における雰囲気中のPbOの分圧は、PZT膜120中のPbにより生じるPbOの蒸気圧以上、かつ雰囲気中のPbOの蒸気圧以下である必要がある。すなわち、図12において、蒸気圧曲線Aよりも上の領域で、かつ蒸気圧曲線Bよりも下の領域の条件で熱処理が行われればよい。   For these reasons, the partial pressure of PbO in the atmosphere in the heat treatment step needs to be not less than the vapor pressure of PbO generated by Pb in the PZT film 120 and not more than the vapor pressure of PbO in the atmosphere. That is, in FIG. 12, it is only necessary to perform the heat treatment in the region above the vapor pressure curve A and under the region below the vapor pressure curve B.

なお、上述したように、図12において、CはPZT(Pb(ZrTi1−x))がx=0以外の場合におけるPZT中に含まれるPbOの蒸気圧曲線を示している。PZT(Pb(ZrTi1−x))がx=0以外の場合、すなわちZrが含まれる場合、蒸気圧曲線Aよりも上の領域の条件にすることで同様の効果が期待できるが、蒸気圧曲線Cよりも上の条件であることがより望ましい。 As described above, in FIG. 12, C indicates the vapor pressure curve of PbO contained in PZT when PZT (Pb (Zr x Ti 1-x O 3 )) is other than x = 0. When PZT (Pb (Zr x Ti 1-x O 3 )) is other than x = 0, that is, when Zr is included, the same effect can be expected by setting the condition above the vapor pressure curve A. However, it is more desirable that the conditions are higher than the vapor pressure curve C.

また、酸素の活性を図り、かつデバイス特性を劣化させないために、熱処理工程における温度は、500℃から700℃程度に設定される。   In addition, the temperature in the heat treatment step is set to about 500 ° C. to 700 ° C. in order to activate oxygen and not deteriorate the device characteristics.

上記第1の実施形態によれば、FeRAMの製造工程において、PZT膜120がエッチング加工された後、Pbと酸素とを含む雰囲気で熱処理が行われる。これにより、RIEやプラズマCVD工程によって生じるPZT膜120の酸素欠損に対して、酸素補充をすることができる。さらに、酸素だけでなくPbを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、PZT膜120からのPb抜けを抑制することができる。したがって、キャパシタ周辺部の特性の劣化を抑制することができ、強誘電体キャパシタの微細化および高集積化が可能になる。   According to the first embodiment, in the FeRAM manufacturing process, after the PZT film 120 is etched, heat treatment is performed in an atmosphere containing Pb and oxygen. As a result, oxygen supplementation can be performed for oxygen vacancies in the PZT film 120 generated by the RIE or plasma CVD process. Furthermore, by performing heat treatment in an atmosphere containing not only oxygen but also Pb, Pb escape from the PZT film 120 can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics around the capacitor, and the ferroelectric capacitor can be miniaturized and highly integrated.

また、本実施形態では、PZT膜120上に保護膜124等を形成する前、すなわち、PZT膜120が加工された直後に上記熱処理が行われる。これにより、露出したPZT膜120に対して直接酸素補充を行うことができるため、効率的かつ十分な酸素欠損の回復を図ることができる。   In the present embodiment, the heat treatment is performed before forming the protective film 124 or the like on the PZT film 120, that is, immediately after the PZT film 120 is processed. As a result, oxygen replenishment can be performed directly on the exposed PZT film 120, so that efficient and sufficient recovery of oxygen deficiency can be achieved.

一方、熱処理における雰囲気中のPbOの分圧が小さいと、Pb抜けの抑制が不十分になり、逆にPbOの分圧が大きくなりすぎると、雰囲気中のPbOが固体化してキャパシタ上に堆積し、特性が劣化してしまう。このため、雰囲気中のPbOの分圧をPZT中のPbにより生じるPbOの蒸気圧以上、かつ雰囲気中のPbOの蒸気圧以下に制御することにより、この問題を回避することができる。   On the other hand, if the partial pressure of PbO in the atmosphere in the heat treatment is small, the suppression of Pb escape becomes insufficient. Conversely, if the partial pressure of PbO becomes too large, the PbO in the atmosphere solidifies and deposits on the capacitor. The characteristics will deteriorate. For this reason, this problem can be avoided by controlling the partial pressure of PbO in the atmosphere to be equal to or higher than the vapor pressure of PbO generated by Pb in PZT and equal to or lower than the vapor pressure of PbO in the atmosphere.

<第2の実施形態>
第1の実施形態では、PZTをエッチング加工した後にPbと酸素とを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、PZTからのPbOの蒸発を防ぎつつ、酸素補充を行った。これに対し、第2の実施形態は、PZTをエッチング加工した後に酸素プラズマを含む雰囲気で熱処理を行う例である。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について詳説する。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, oxygen supplementation is performed while preventing evaporation of PbO from PZT by performing heat treatment in an atmosphere containing Pb and oxygen after etching the PZT. In contrast, the second embodiment is an example in which heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen plasma after etching of PZT. In the present embodiment, description of the same points as in the first embodiment will be omitted, and different points will be described in detail.

以下に、本実施形態における製造方法の熱処理工程について説明する。   Below, the heat treatment process of the manufacturing method in the present embodiment will be described.

図13は、図4に続く、FeRAMの製造工程の断面図を示している。図13に示すように、本実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、PZTをエッチング加工した後に酸素プラズマを含む雰囲気で熱処理が行われる点である。すなわち、RIEにより第1保護膜122、第2白金膜121およびPZT膜120が順にエッチング加工された後、酸素プラズマを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、PZT膜120の酸素欠損に対して酸素補充をすることができる。その後、図5に示すように、全面に例えばALD法によりAlからなる第2保護膜124が形成される。 FIG. 13 is a cross-sectional view of the FeRAM manufacturing process continued from FIG. As shown in FIG. 13, the present embodiment is different from the first embodiment in that heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen plasma after PZT is etched. That is, after the first protective film 122, the second platinum film 121, and the PZT film 120 are sequentially etched by RIE, a heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen plasma, so that oxygen supplementation for oxygen vacancies in the PZT film 120 is performed. Can do. Thereafter, as shown in FIG. 5, a second protective film 124 made of Al 2 O 3 is formed on the entire surface by, eg, ALD.

この熱処理は、例えば以下に示す条件で行われる。基板温度を400℃未満に設定して、流量が100sccm(standard cubic centimeters per minute)の酸素と流量が1000sccmのArとが供給される。このとき、全圧は3Pa以上に保たれる。この状態で、0.3〜1KWのマイクロ波を導入することにより、酸素プラズマが生成される。ここで、RFよりも波長が小さいマイクロ波が用いられることにより、デバイスに対するプラズマダメージを低減する効果がある。この酸素プラズマからラジカル酸素が生成され、PZT膜120側面から酸素が導入される。この条件で10秒から100秒の範囲で熱処理が行われる。   This heat treatment is performed, for example, under the following conditions. With the substrate temperature set to less than 400 ° C., oxygen with a flow rate of 100 sccm (standard cubic centimeters per minute) and Ar with a flow rate of 1000 sccm are supplied. At this time, the total pressure is maintained at 3 Pa or more. In this state, oxygen plasma is generated by introducing a microwave of 0.3 to 1 KW. Here, the use of a microwave having a wavelength smaller than that of RF has an effect of reducing plasma damage to the device. Radical oxygen is generated from this oxygen plasma, and oxygen is introduced from the side surface of the PZT film 120. Under these conditions, heat treatment is performed in the range of 10 to 100 seconds.

なお、本実施形態において、雰囲気中の酸素は酸素イオンとして存在している。このため、形状により半導体基板100に正のバイアスを印加することにより、マイナスイオンである酸素イオンを引き込むことが可能である。これにより、PZT膜120のテーパ部(側部)の酸素補充を強化することができる。この場合、印加バイアスは、+5V〜+100Vの範囲で適宜選択される。   In the present embodiment, oxygen in the atmosphere exists as oxygen ions. Therefore, by applying a positive bias to the semiconductor substrate 100 depending on the shape, oxygen ions that are negative ions can be drawn. Thereby, the oxygen replenishment of the taper part (side part) of the PZT film 120 can be strengthened. In this case, the applied bias is appropriately selected in the range of + 5V to + 100V.

上記第2の実施形態によれば、FeRAMの製造工程において、PZT膜120がエッチング加工された後、酸素プラズマを含む雰囲気で熱処理が行われる。酸素プラズマを用いることにより、酸素の反応性が高くなり、400℃未満という低温でPZT膜120に対して酸素補充をすることができる。このように、400℃未満という低温で行うことにより、PZT膜120中からのPbOの蒸発を抑制することができる。したがって、キャパシタ周辺部の特性の劣化を抑制することができ、強誘電体キャパシタの微細化および高集積化が可能になる。   According to the second embodiment, in the FeRAM manufacturing process, after the PZT film 120 is etched, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen plasma. By using oxygen plasma, oxygen reactivity becomes high, and oxygen replenishment can be performed on the PZT film 120 at a low temperature of less than 400 ° C. In this way, by performing at a low temperature of less than 400 ° C., evaporation of PbO from the PZT film 120 can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics around the capacitor, and the ferroelectric capacitor can be miniaturized and highly integrated.

なお、上記第1および第2の実施形態において、各膜の材料および形成方法はこれに限らない。   In the first and second embodiments, the material and forming method of each film are not limited to this.

例えば、キャパシタ材料として、イリジウムまたは酸化イリジウムを用いた場合にも効果があることが確認されている。イリジウム電極の形成条件としては、例えば、イリジウムターゲットを用いたDC(直流)スパッタ法で、パワ−を0.2KWから3KW、圧力を0.5Paから2Paとして60秒間成膜を行う。これにより、例えば、膜厚が100nmのイリジウム電極が形成される。また、酸化イリジウム電極の形成条件としては、例えば、イリジウムターゲットを用いた化成スパッタ法で、パワ−を0.2から2Kw、圧力を0.5から2Paとして90秒間成膜を行う。これにより、例えば、膜厚が100nmの酸化イリジウム電極が形成される。   For example, it has been confirmed that iridium or iridium oxide is effective as a capacitor material. As conditions for forming the iridium electrode, for example, the film is formed by DC (direct current) sputtering using an iridium target with a power of 0.2 KW to 3 KW and a pressure of 0.5 Pa to 2 Pa for 60 seconds. Thereby, for example, an iridium electrode having a thickness of 100 nm is formed. As the conditions for forming the iridium oxide electrode, for example, the film is formed for 90 seconds by chemical sputtering using an iridium target with a power of 0.2 to 2 Kw and a pressure of 0.5 to 2 Pa. Thereby, for example, an iridium oxide electrode having a film thickness of 100 nm is formed.

また、強誘電体PZTの形成方法として、例えば、Pb(DPM)、Ti(iOPr)(DPM)、Zr(DPM)等を原料としたCVD法を用いた場合にも効果がある。 In addition, as a method for forming the ferroelectric PZT, for example, a CVD method using Pb (DPM) 2 , Ti (iOPr) 2 (DPM) 2 , Zr (DPM) 4 or the like as a raw material is also effective. .

その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。例えば、本発明は、FeRAMに限らず、高誘電体キャパシタを有するDRAMにおいても適用することができる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention when it is practiced. For example, the present invention can be applied not only to FeRAM but also to a DRAM having a high dielectric capacitor. Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be obtained as an invention.

100…半導体基板、118…イリジウム膜、119…第1白金膜、120…PZT膜、121…第2白金膜、122…第1保護膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Semiconductor substrate, 118 ... Iridium film | membrane, 119 ... 1st platinum film | membrane, 120 ... PZT film | membrane, 121 ... 2nd platinum film | membrane, 122 ... 1st protective film.

Claims (7)

半導体基板の上方に、Pbを含む強誘電体を有するキャパシタ層を形成し、
前記キャパシタ層をRIEにより加工して、前記強誘電体を有するキャパシタを形成し、
Pb、酸素および鉛単体酸化物を含む雰囲気で、前記キャパシタを熱処理し、
前記熱処理の際に、前記雰囲気内における前記鉛単体酸化物の分圧は、前記強誘電体内におけるPbにより生じる前記鉛単体酸化物の蒸気圧以上、かつ前記雰囲気内における前記鉛単体酸化物の蒸気圧以下である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a capacitor layer having a ferroelectric including Pb above the semiconductor substrate;
Processing the capacitor layer by RIE to form a capacitor having the ferroelectric;
Heat treating the capacitor in an atmosphere containing Pb, oxygen, and lead simple oxides;
During the heat treatment, the partial pressure of the lead simple oxide in the atmosphere is equal to or higher than the vapor pressure of the lead simple oxide generated by Pb in the ferroelectric body, and the vapor of the lead simple oxide in the atmosphere. The manufacturing method of the semiconductor device characterized by the above-mentioned.
前記キャパシタを形成する際に、前記強誘電体を露出し、
前記熱処理は、露出した前記強誘電体に対して行われ、
前記熱処理後に、前記キャパシタ上に直接、保護膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
Exposing the ferroelectric when forming the capacitor;
The heat treatment is performed on the exposed ferroelectric;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a protective film is formed directly on the capacitor after the heat treatment.
前記熱処理の際に、前記雰囲気内における前記鉛単体酸化物の分圧は、600℃の場合に3×10−5Pa以上かつ2×10−3Pa以内であり、500℃の場合に2×10−7Pa以上かつ1×10−5Pa以内であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 During the heat treatment, the partial pressure of the lead simple oxide in the atmosphere is 3 × 10 −5 Pa or more and 2 × 10 −3 Pa or less at 600 ° C., and 2 × at 500 ° C. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is 10 −7 Pa or more and 1 × 10 −5 Pa or less. 半導体基板の上方に、Pbを含む強誘電体を有するキャパシタ層を形成し、
前記キャパシタ層を加工して、前記強誘電体を有するキャパシタを形成し、
400℃未満で、かつ酸素プラズマを含む雰囲気で、前記キャパシタを熱処理する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a capacitor layer having a ferroelectric including Pb above the semiconductor substrate;
Processing the capacitor layer to form a capacitor having the ferroelectric;
Heat treating the capacitor in an atmosphere of less than 400 ° C. and containing oxygen plasma;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記熱処理後に、前記キャパシタ上に保護膜を形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a protective film is formed on the capacitor after the heat treatment. 前記酸素プラズマは、マイクロ波により生成されることを特徴とする請求項5または請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the oxygen plasma is generated by microwaves. 前記熱処理の際に、前記半導体基板に正のバイアスを印加することを特徴とする請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a positive bias is applied to the semiconductor substrate during the heat treatment.
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